Этапы развития вычислительных систем и основные принципы, закладываемые при их создании

В своем развитии вычислительные системы прошли несколько этапов. Одним из факторов, определяющих развитие вычислительных систем в целом и вычислительных сетей в частности, является высокая производительность. Следовательно, метод увеличения производительности – организация управления параллельной обработки данных.

Этапы:

1. Мультипрограммная обработка (начало – 60-е гг.; существовали однопроцессорные машины). Основной признак этапа: совмещение этапов вычислений в однопроцессорных ЭВМ. При мультипрограммной обработке параллельные вычисления выполняются путем совмещения во времени различных этапов разных задач. Мультипрограммная обработка возможна даже в однопроцессорных ЭВМ и широко используется в современных системах обработки данных.

2. Независимые параллельные вычисления несколькими обрабатывающими устройствами (70-е гг.). Особенность: наличие физического параллелизма. Основные признаки: параллелизм независимых задач, параллелизм независимых ветвей, параллелизм объектов или данных.

3. Векторно-конвеерные супервычисления (с появлением микропроцессоров; благодаря усложнению процессора, вычислителя; начало – 80-е гг.). Особенности этапа: появление параллельных вычислений в АЛУ, RISC- архитектура.

4. Параллельные вычисления на множестве процессоров, связанных коммуникационной средой передачи сообщений (связано с появлением сложных многомашинных комплексов, многопроцессорных систем). Особенность: кластерные системы и параллельная обработка в кластерных системах.

5. Системы микропроцессоров с кэш-памятями и разделяемой физически распределенной основной памятью (разрабатывается в наше время). Особенность: получение новых возможностей повышения производительности вычислений за счет слияния стратегий вычислительных систем и сетей ЭВМ (связано с использованием разнородного оборудования и разнородных сред).

 

Системы с параллельной обработкой данных принято называть вычислительными системами.

Начиная с 60-х годов, для повышения надёжности и производительности несколько вычислительных систем связывались между собой, образовывая многомашинный вычислительный комплекс, который включает в себя 2 или более ЭВМ, состоящих из ЦП, ОЗУ, набора периферийных устройств и работает под управлением собственной ОС. При этом связи между ЭВМ в МВС обеспечивают выполнение функций возложенных на комплекс в целом.

Под вычислительной системой будем понимать совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, периферийного оборудования и ПО, которое предназначено для подготовки и решения задач пользователей. Отличительной особенностью вычислительной системы по отношению к ЭВМ является наличие нескольких вычислителей реализующих параллельную обработку.

2.2 Цели создания вычислительных систем:

§ повышение производительности системы за счёт ускорения процессов обработки данных

§ повышение надёжности и достоверности вычислений

§ предоставление пользователям дополнительных сервисных услуг

Параллелизм в вычислениях значительно усложняет процесс управления, а также усложняет использование технических ресурсов. Функцию управления в вычислительной системе выполняет ОС вычислительной системы.

Кроме выигрыша в стоимости технических средств, вычислительные системы предоставляют дополнительные преимущества: наличие нескольких вычислителей в системе позволяет по-новому решать проблемы надёжности и достоверности результатов обработки, резервирования, централизации хранения и обработки данных, децентрализации управления и т.д.

2.3 Основные принципы построения, закладываемые при построении вычислительной системы:

§ возможность работы в различных режимах

§ модульность структуры технических и программных средств. Это позволяет совершенствовать и модернизировать вычислительные системы без коренных их переделок.

§ унификация и стандартизация технических и программных решений

§ иерархия в организации управления процессами

§ способность системы к адаптации, самонастройке, самоорганизации

§ обеспечение необходимым сервисом пользователей системы при выполнении вычислений

Структура вычислительной системы – совокупность комплексируемых элементов и их связи.

В качестве элементов вычислительной системы выступают как отдельные ЭВМ, так и процессоры. Причём в вычислительных системах, относящихся к классу больших систем, разделяют структуры:

§ структуры технических средств

§ структуры программных средств

§ структуры управления

§ и т.д.

Признаки классификации вычислительных систем:

1. по целевому назначению и выполняемым функциям

2. по типам структур и числу ЭВМ или процессоров

3. по архитектуре системы

4. по режимам работы

5. по методам управления элементами системы

6. по степени разобщенности элементов вычислительной системы.

Основными из них являются признаки структурной и функциональной организации вычислительной системы.

СИСТЕМЫ: ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

 

Определения системы

Систе́ма (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство^[1].

Сведение множества к единому — в этом первооснова красоты.

Пифагор

В повседневной практике слово «система» может употребляться в различных значениях, в частности^[2]:

· теория, например, философская система Платона;

· классификация, например, Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева;

 Систе́ма (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство^[1].

· теория, например, философская система Платона;

· классификация, например, Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева;

завершённый метод практической деятельности, например, система

· Станиславского;

· способ организации мыслительной деятельности, например, система счисления;

· совокупность объектов природы, например, Солнечная система;

· некоторое свойство общества, например, политическая система, экономическая система и т. п.;

· совокупность установившихся норм жизни и правил поведения, например, законодательная система или система моральных ценностей;

· закономерность («в его действиях прослеживается система»);

· конструкция («оружие новой системы»);

· и др.

Изучением систем занимаются такие инженерные и научные дисциплины как теория систем, системный анализ, системология, кибернетика, системная инженерия, термодинамика, ТРИЗ, системная динамика и т. д.

Существует по меньшей мере несколько десятков различных определений понятия «система», используемых в зависимости от контекста, области знаний и целей исследования.^[3][4] Основной фактор, влияющий на различие в определениях, состоит в том, что в понятии «система» есть двойственность: с одной стороны оно используется для обозначения объективно существующих феноменов, а с другой стороны — как метод изучения и представления феноменов, то есть как субъективная модель реальности.^[4]

В связи с этой двойственностью авторы определений различают по меньшей мере два аспекта: как отличить системный объект от несистемного и как построить систему путём выделения её из окружающей среды. На основе первого подхода даётся дескриптивное (описательное) определение системы, на основе второго — конструктивное,^[4] иногда они сочетаются. Подходы к определению системы также предлагают делить наонтологический (соответствует дескриптивному), гносеологический и методологический (последние два соответствуют конструктивному).^[5]

Так, данное в преамбуле определение из БРЭС^[1] является типичным дескриптивным определением.

Примеры дескриптивных определений:

· Система — комплекс взаимодействующих компонентов (Л. фон Берталанфи).^[6]

· Система — совокупность элементов, находящихся в определённых отношениях друг с другом и со средой (Л. фон Берталанфи).^[7]

· Система — множество взаимосвязанных элементов, обособленное от среды и взаимодействующее с ней, как целое (Ф. И. Перегудов,Ф. П. Тарасенко).^[8]

Примеры конструктивных определений:

· Система — комбинация взаимодействующих элементов, организованных для достижения одной или нескольких поставленных целей (ГОСТ Р ИСО МЭК 15288-2005).^[9]

· Система — конечное множество функциональных элементов и отношений между ними, выделенное из среды в соответствии с определеннойцелью в рамках определенного временного интервала (В. Н. Сагатовский).^[10]

· Система — отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания (Ю. И. Черняк).^[11]

· Система S на объекте А относительно интегративного свойства (качества) есть совокупность таких элементов, находящихся в таких отношениях, которые порождают данное интегративное свойство (Е. Б. Агошкова, Б. В. Ахлибининский).^[5]

· Система — совокупность интегрированных и регулярно взаимодействующих или взаимозависимых элементов, созданная для достижения определенных целей, причем отношения между элементами определены и устойчивы, а общая производительность или функциональность системы лучше, чем у простой суммы элементов (PMBOK)^[2].

Таким образом, главное отличие конструктивных определений состоит в наличии цели существования или изучения системы с точки зрения наблюдателя или исследователя, который при этом явно или неявно вводится в определение.

Свойства систем

]

· Целостность — система есть абстрактная сущность, обладающая целостностью и определенная в своих границах^[2]. Целостность системы подразумевает, что в некотором существенном аспекте «сила» или «ценность» связей элементов внутри системы выше, чем сила или ценность связей элементов системы с элементами внешних систем или среды.

· Синергичность, эмерджентность, холизм, системный эффект — появление у системы свойств, не присущих элементам системы; принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих её компонентов (неаддитивность). Возможности системы превосходят сумму возможностей составляющих её частей; общая производительность или функциональность системы лучше, чем у простой суммы элементов^[2].

· Иерархичность — каждый элемент системы может рассматриваться как система; сама система также может рассматриваться как элемент некоторой надсистемы (суперсистемы).

Классификации систем

Практически в каждом издании по теории систем и системному анализу обсуждается вопрос о классификации систем, при этом наибольшее разнообразие точек зрения наблюдается при классификации сложных систем. Большинство классификаций являются произвольными (эмпирическими), то есть их авторами просто перечисляются некоторые виды систем, существенные с точки зрения решаемых задач, а вопросы о принципах выбора признаков (оснований) деления систем и полноте классификации при этом даже не ставятся^[4].

Классификации осуществляются по предметному или по категориальному принципу.

Предметный принцип классификации состоит в выделении основных видов конкретных систем, существующих в природе и обществе, с учётом вида отображаемого объекта (технические, биологические, экономические и т. п.) или с учётом вида научного направления, используемого для моделирования (математические, физические, химические и др.).

При категориальной классификации системы разделяются по общим характеристикам, присущим любым системам независимо от их материального воплощения^[4]. Наиболее часто рассматриваются следующие категориальные характеристики:

· Количественно все компоненты систем могут характеризоваться как монокомпоненты (один элемент, одно отношение) и поликомпоненты (много свойств, много элементов, много отношений).

· Для статической системы характерно то, что она находится в состоянии относительного покоя, её состояние с течением времени остается постоянным. Динамическая система изменяет свое состояние во времени.

· Открытые системы постоянно обмениваются веществом, энергией или информацией со средой. Система закрыта (замкнута), если в неё не поступают и из неё не выделяются вещество, энергия или информация.

· Поведение детерминированных систем полностью объяснимо и предсказуемо на основе информации об их состоянии. Поведениевероятностной системы определяется этой информацией не полностью, позволяя лишь говорить о вероятности перехода системы в то или иное состояние.

· По происхождению выделяют искусственные, естественные и смешанные системы.

· По степени организованности выделяют класс хорошо организованных, класс плохо организованных (диффузных) систем и класс развивающихся(самоорганизующихся) систем.

· При делении систем на простые и сложные наблюдается наибольшее расхождение точек зрения, однако чаще всего сложность системе придают такие характеристики как большое число элементов, многообразие возможных форм их связи, множественность целей, многообразие природы элементов, изменчивость состава и структуры и т. д.^[4]

Одна из известных эмпирических классификаций предложена Ст. Биром^[12]. В её основе лежит сочетание степени детерминированности системы и уровня её сложности:

Системы	Простые (состоящие из небольшого числа элементов)	Сложные (достаточно разветвленные, но поддающиеся описанию)	Очень сложные (не поддающиеся точному и подробному описанию)
Детерминированные	Оконная задвижка Проект механических мастерских	Компьютер Автоматизация
Вероятностные	Подбрасывание монеты Движение медузы Статистический контроль качества продукции	Хранение запасов Условные рефлексы Прибыль промышленного предприятия	Экономика Мозг Фирма

Несмотря на явную практическую ценность классификации Ст. Бира отмечаются и её недостатки. Во-первых, критерии выделения типов систем не определены однозначно. Например, выделяя сложные и очень сложные системы, автор не указывает, относительно каких именно средств и целей определяется возможность и невозможность точного и подробного описания. Во-вторых, не показывается, для решения каких именно задач оказывается необходимым и достаточным знание именно предложенных типов систем. Помимо произвольных (эмпирических) подходов к классификации существует и логико-теоретический подход, при котором признаки (основания) деления пытаются логически вывести из определения системы. В данном подходе множество выделяемых типов систем потенциально неограниченно, порождая вопрос о том, каков объективный критерий для выделения из бесконечного множества возможностей наиболее подходящих типов систем^[4].

В качестве примера логического подхода можно сослаться на предложение А. И. Уёмова на основе его определения системы, включающего «вещи», «свойства» и «отношения» строить классификации систем на основе «типов вещей» (элементов, из которых состоит система), «свойств» и «отношений», характеризующих системы различного вида^[13].

Предлагаются и комбинированные (гибридные) подходы, которые призваны преодолеть недостатки обоих подходов (эмпирического и логического). В частности, В. Н. Сагатовский предложил следующий принцип классификации систем. Все системы делятся на разные типы в зависимости от характера их основных компонентов. При этом каждый из указанных компонентов оценивается с точки зрения определенного набора категориальных характеристик.

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ.